毛竹和雷竹地下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及生物力學(xué)性質(zhì)

童 冉,陳慶標(biāo), 周本智,*,唐永強(qiáng),安艷飛,葛曉改,曹永慧,楊振亞

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所, 杭州 311400 2 錢江源森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 杭州 311400 3 浙江建德新安江林場, 建德 311600

近年來,我國南方山地和丘陵等生態(tài)脆弱地區(qū)頻繁遭受土壤侵蝕、山體滑坡和泥石流等自然災(zāi)害的侵襲,山體邊坡的穩(wěn)定加固成為生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和重建的首要任務(wù)。利用植物對土壤穩(wěn)定加固被認(rèn)為是一種對環(huán)境友好且低能減排的生物工程措施,植物地下龐大的根系系統(tǒng)能夠通過機(jī)械和水文加固來提高土壤的抗剪切強(qiáng)度,力學(xué)性能更強(qiáng)的根土復(fù)合體結(jié)構(gòu)對山地邊坡穩(wěn)定性具有顯著的提升作用[1- 3]。

植物根系生物力學(xué)性質(zhì)容易受到根系直徑[4]、生長階段[3, 5]、水分狀況[4, 6]、腐爛程度[7]以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]等特性的顯著影響。大量研究表明,根系直徑對根系拉伸性能影響很大,具體表現(xiàn)在直徑與抗拉強(qiáng)度之間遵循負(fù)冪函數(shù)關(guān)系,即隨著直徑的增大,抗拉強(qiáng)度迅速減小后趨于平緩。但Boldrin等[3]認(rèn)為木本植物生長初期階段根系直徑與抗拉強(qiáng)度之間往往不遵循負(fù)冪函數(shù)關(guān)系,且受植物科屬差異的顯著影響。同時,Boldrin等[3]還明確提出根系水分狀況對根系抗拉強(qiáng)度和彈性模量等特性影響很大,需要在試驗過程中嚴(yán)格控制。Yang等[4]圍繞根系水分狀況對根系力學(xué)性質(zhì)影響展開了更為具體的研究,發(fā)現(xiàn)根系水分的輕微損失可以提高抗拉強(qiáng)度,但水分損失過大易導(dǎo)致根系伸長能力減弱,進(jìn)而喪失根系直徑和抗拉強(qiáng)度之間的負(fù)冪函數(shù)關(guān)系。除此之外,根系化學(xué)成分對力學(xué)性質(zhì)的影響也成為近年來研究的熱點,Zhang等[9]認(rèn)為隨著直徑的增加,纖維素含量增加,木質(zhì)素含量下降,根系抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢,這也是在山體邊坡穩(wěn)定中細(xì)根作用強(qiáng)于粗根的重要原因。

毛竹(Phyllostachyspubescencens)和雷竹(Phyllostachyspraecox)同屬禾本科竹亞科剛竹屬散生竹種,是我國南方優(yōu)良的筍材兩用竹種,為竹農(nóng)帶來極佳的經(jīng)濟(jì)效益。此外,毛竹和雷竹在山地、丘陵等生態(tài)脆弱區(qū)的廣泛栽植起到了固定邊坡,含蓄水源,防止泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害發(fā)生的作用,對生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和重建具有不可替代的重要意義,這主要得益于散生竹種特有的地下橫莖結(jié)構(gòu)竹鞭與根系共同組成的發(fā)達(dá)地下系統(tǒng),兼具橫向和縱向的生物力學(xué)特性[10-12]。目前,有關(guān)毛竹和雷竹研究多集中于栽培培育[13]、生態(tài)效益評價[14-15]等方面,而涉及毛竹和雷竹地下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及生物力學(xué)性質(zhì)的研究鮮有報道。本文以毛竹和雷竹地下系統(tǒng)為研究對象,描述不同徑級根系長度和體積在不同土層分布狀況,分析歸納影響地下系統(tǒng)生物力學(xué)性質(zhì)的因素,以期為評價毛竹和雷竹控制土壤侵蝕、穩(wěn)定山體邊坡的能力提供依據(jù),也為生態(tài)公益林政策推行提供科學(xué)參考。

1 材料和方法

1.1 試驗林概況

試驗地點設(shè)在浙江錢江源森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站廟山塢自然保護(hù)區(qū),位于浙江省杭州市富陽區(qū)境內(nèi),地理位置為30°03′—30°06′ N,119°56′—120°02′ E。屬浙西低山丘陵區(qū)天目山系余脈,山體主脈呈東西走向,由主脈延伸的多條南北向支脈為本區(qū)主體,峽谷相間,谷向朝南,瀕臨富春江。氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,季風(fēng)顯著,四季分明,降水充沛,溫暖濕潤。區(qū)內(nèi)氣候溫和,夏季炎熱,冬少嚴(yán)寒；年平均氣溫16.1℃,極端最高氣溫40.2℃,極端最低-14.4℃；年平均降水量1441.9 mm。選取的毛竹和雷竹試驗林分的立地條件均為緩坡地,土壤為砂質(zhì)壤土,土層厚度為1 m左右,腐殖質(zhì)2—4 cm,石礫含量15%左右。林分密度、年齡、胸徑、竹高等基本情況見表1。

表1 毛竹、雷竹試驗林分基本情況

DBH: Diameter at Breast Height

1.2 樣地選取和樣品采集

于廟山塢自然保護(hù)區(qū)毛竹林內(nèi)設(shè)立10 m×10 m的樣地1塊,在樣地中選取有代表性的毛竹3株,分別以毛竹基部竹稈為中心,在其周圍挖取1 m×2 m的小樣方。從土壤開始,每20 cm向下挖取所有的土壤和竹鞭、根系,直到無竹鞭和根為止。從挖出的土壤中小心分揀出竹根、竹鞭、鞭根,用清水沖洗干凈,風(fēng)干,編號后帶回實驗室進(jìn)行數(shù)量指標(biāo)的測定。

同樣于廟山塢自然保護(hù)區(qū)雷竹林內(nèi)設(shè)立1塊10 m×10 m樣地,選取3株代表性雷竹,以雷竹基部竹稈為中心,在其周圍挖取0.5 m×1 m小樣方。隨后的樣品采集方法與毛竹相同。

1.3 竹根、鞭根劃分及竹鞭年齡的鑒定

竹根指直接著生在竹蔸上的細(xì)根,而鞭根指除了竹根以外的著生在竹鞭上的細(xì)根。竹鞭年齡主要根據(jù)竹鞭色澤、質(zhì)地以及鞭根多少來判定[16]。年齡較小的為幼齡鞭,顏色較淺,呈淺黃色,有光澤。年齡較大的為老齡鞭,顏色較深,呈深黃色或褐色,較暗,且著生鞭根較少,位于二者之間的為中齡鞭。

1.4 根系結(jié)構(gòu)組成指標(biāo)測量

于實驗室內(nèi)按照根系徑級測定各徑級長度、體積,在地下0—60 cm土層范圍內(nèi),按照土壤垂直深度測定根系長度、體積、干物質(zhì)量等指標(biāo)。具體方法為采用加拿大Regent公司(Regent Instruments Inc.)的STD1600+雙光源專用掃描儀,以透射光源對毛竹和雷竹竹根系樣品進(jìn)行掃描,掃描分辨率400 ppi。采用根系圖像分析軟件WinRHIZO Pro 2005b對圖像進(jìn)行分析,獲取竹根長度、體積等指標(biāo)。將各竹種根系樣品置于105℃的烘箱中,烘至恒重,記錄各樣品的干質(zhì)量,并計算含水率。

1.5 竹鞭和根系的生物力學(xué)測定

1.5.1根系抗拉強(qiáng)度測定

設(shè)置飽和和12%兩個含水率梯度,具體操作如下：將取得的根系分別分成兩部分,一部分風(fēng)干后放入高低交變濕熱試驗機(jī)(GZ-ESPEC),將溫度調(diào)整到20℃,相對濕度調(diào)整到65%,待根系含水率達(dá)到12%后,拿出測定其他指標(biāo)。另外一部分將其放入水中浸泡48 h,使其含水率達(dá)到飽和。

用游標(biāo)卡尺將不同含水率的根系樣品按徑級分為D<1 mm、D=1—2 mm、D>2 mm 3個部分,采用電子式人造板試驗機(jī)(MWD-10B)分別測量各徑級及不同含水率根系樣品的最大拉力,同時用游標(biāo)卡尺量取斷裂處直徑,每樣品重復(fù)16—24次。計算根系抗拉強(qiáng)度[17]：

P=4F/(π×D2)

式中,P為抗拉強(qiáng)度(Mpa);F為最大拉力(N);D為根系直徑(mm)。

1.5.2竹鞭抗拉強(qiáng)度測定

將毛竹、雷竹竹鞭按老、中、幼齡鞭分開,每種類型竹鞭分別制備長約12—15 cm、寬約4—8 mm、厚約2—5 mm的長方體試件,每種試件做12—16個,將做好的試件編號風(fēng)干,然后采用電子式人造板試驗機(jī)(MWD-10B)分別測量各試件的抗拉強(qiáng)度,同時用游標(biāo)卡尺量取斷裂處直徑。計算竹鞭抗拉強(qiáng)度,公式如根系。

1.5.3竹鞭彈性模量測定

與測量竹鞭抗拉強(qiáng)度試件相同的試件每種制備12個,編號風(fēng)干,放入高低交變濕熱試驗機(jī)(GZ-ESPEC),將溫度調(diào)整到20℃,相對濕度調(diào)整到65%,待試件含水率達(dá)到12%后,用電子式人造板試驗機(jī)(MWD-50)分別測量各試件的彈性模量。

1.6 地下系統(tǒng)抗剪切能力測定

采用現(xiàn)場十字剪切儀(Eijkeelkamp-VANE TESTER H-60)按10 cm一層,測量0—60 cm土層中裸地?zé)o根土壤和竹林林地土壤的抗剪切強(qiáng)度(每層重復(fù)10次),2個樣地立地條件相同,裸地上無植物。利用毛竹和雷竹林地土壤抗剪切強(qiáng)度減去裸地土壤抗剪切強(qiáng)度。推算出根系的存在導(dǎo)致土體增大的抗剪切強(qiáng)度[17]。用土鉆將對應(yīng)有根土壤測量的各層土壤全部取出,仔細(xì)挑出各層根系,洗凈,風(fēng)干,編號帶回實驗室,以備測量干質(zhì)量及其他指標(biāo)。

1.7 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均通過Excel 2003軟件進(jìn)行初步整理,用Origin 9.0軟件繪制條形堆積圖、箱線圖和擬合曲線,用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系徑級組成及分布

根據(jù)實驗室觀察和測量結(jié)果,將植物根系徑級分為3類：D≤1 mm,D=1—2 mm和D≥2 mm。從圖1和圖2的條形堆積圖中可以看出：隨著土層的深入,毛竹和雷竹3個徑級的根系長度和體積所占比重均呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢,相較于鞭根,竹根的減少趨勢較為緩慢。徑級D≤1 mm根系占全部根系長度的比重均為最大,大小依次為雷竹鞭根(83.62%)>雷竹竹根(80.46%)>毛竹鞭根(75.70%)>毛竹竹根(70.45%)。毛竹竹根和鞭根徑級D=1—2 mm長度所占比重略大于徑級D≥2 mm,雷竹根系D=1—2 mm徑級長度比例遠(yuǎn)大于徑級D≥2 mm。由于雷竹根系相對較淺,竹根徑級D=1—2 mm(39.76%)和徑級D≥2 mm(43.61%)體積所占相當(dāng),而鞭根徑級D=1—2 mm體積比例最大,為50.78%,這與雷竹徑級D≥2 mm根系數(shù)量較少有關(guān)。從長度和體積兩個指標(biāo)看,毛竹、雷竹根系在0—40 cm土層范圍內(nèi)分布均達(dá)到80%以上,符合禾本科植物根系淺、淺土層生物量占比高的特點[18]。

圖1 毛竹、雷竹不同徑級長度及其在各土層中的比例Fig.1 Proportion of different diameter class length and its presence in every soil layer for Moso bamboo and Lei bambooMZ: 毛竹竹根 Moso bamboo basal root; MB: 毛竹鞭根 Moso bamboo rhizome root; LZ: 雷竹竹根 Lei bamboo basal root; LB: 雷竹鞭根 Lei bamboo rhizome root

圖2 毛竹、雷竹不同徑級體積及其在各土層中的比例Fig.2 Proportion of different diameter class volume and its presence in every soil layer for Moso bamboo and Lei bamboo

2.2 不同年齡竹鞭的抗拉強(qiáng)度和彈性模量

毛竹、雷竹竹鞭直徑相差不大,通過制作相同規(guī)格試件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度和彈性模量的測定,以竹鞭年齡為變量,分析竹鞭年齡對毛竹和雷竹竹種內(nèi)和竹種間的差異。為更為直觀的表現(xiàn)趨勢變化,繪制箱線圖。從圖3中可以看出,毛竹和雷竹竹鞭抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)出相似的變化趨勢,即中齡和老齡顯著高于幼齡,相差范圍約為14—26 MPa；毛竹各年齡段竹鞭抗拉強(qiáng)度均顯著高于雷竹對應(yīng)年齡段竹鞭,幼齡、中齡、老齡階段竹鞭分別相差約17、27、19 MPa,說明毛竹竹鞭抗拉強(qiáng)度強(qiáng)于雷竹,且中生命活動最為旺盛的中齡最為明顯。如圖3所示,毛竹和雷竹竹鞭彈性模量隨年齡的變化表現(xiàn)出與抗拉強(qiáng)度相反的變化趨勢,即中齡低于幼齡和老齡,且在毛竹竹鞭各年齡段都差異顯著,而在雷竹竹鞭幼齡和老齡差異不顯著。雷竹各年齡段竹鞭彈性模量均分別高于毛竹,幼齡、中齡、老齡階段竹鞭分別相差約9000、6700、13000 MPa,說明雷竹竹鞭彈性模量優(yōu)于毛竹,且隨著竹齡齡的增加,兩者之間的差異呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

圖3 毛竹、雷竹不同年齡段竹鞭抗拉強(qiáng)度和彈性模量箱線圖及方差分析Fig.3 Box diagram and variance analysis of tensile strength and elastic modulus for Moso bamboo and Lei bamboo rhizome of different ages不同小寫字母表示不同年齡段竹種內(nèi)差異顯著(P < 0.05)；大寫字母表示不同年齡段竹種間差異顯著(P < 0.05)

2.3 不同含水率下根系的抗拉強(qiáng)度

如圖4和表2所示,在飽和含水率條件下,毛竹和雷竹的兩種不同根系(竹根和鞭根)抗拉強(qiáng)度和直徑之間均呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系,R2范圍為0.659—0.735,擬合效果較好。從抗拉強(qiáng)度隨直徑的變化趨勢可以看出,抗拉強(qiáng)度在徑級D≤1 mm直徑范圍內(nèi)減小迅速,在徑級D=1—2 mm直徑范圍內(nèi)減小趨勢放緩,在D≥2 mm直徑范圍變化不大。依據(jù)根系負(fù)冪函數(shù)指數(shù)特性,雷竹竹根(-0.608)減小最為緩慢,雷竹鞭根(-0.406)最為快速,毛竹竹根(-0.488)與鞭根(-0.469)減小趨勢相差不大,介于雷竹兩種根系之間。毛竹鞭根在徑級<1 mm細(xì)根范圍相同徑級處的抗拉強(qiáng)度都明顯高于雷竹鞭根；毛竹和雷竹竹根抗拉強(qiáng)度在徑級D=0.5—3 mm范圍內(nèi)的相同徑級處相差不大,而在徑級D=0—0.5 mm范圍內(nèi),雷竹要明顯大于毛竹,說明不同竹種的相同類型根系抗拉強(qiáng)度在根系特定徑級范圍內(nèi)差異明顯。毛竹竹根與鞭根抗拉強(qiáng)度隨著根系直徑增大表現(xiàn)出的減小趨勢,以及抗拉強(qiáng)度數(shù)值變化范圍都比較相近,說明毛竹不同類型根系抗拉強(qiáng)度與根系直徑的關(guān)系相差不大。在根系徑級D=0—2 mm范圍內(nèi)的相同徑級處,雷竹竹根的抗拉強(qiáng)度要明顯高于鞭根,且徑級越小,兩者的差值越大,最大可以達(dá)到25 MPa之多,雷竹不同類型根系抗拉強(qiáng)度與根系直徑的關(guān)系相差很大,說明同一竹種不同類型根系抗拉強(qiáng)度與直徑的關(guān)系受竹種類型影響顯著。

圖4 飽和含水率條件下,毛竹、雷竹不同類型根系抗拉強(qiáng)度與直徑的關(guān)系Fig.4 Under the condition of saturated moisture content, the relationship between tensile strength and diameter of different types of roots for Moso bamboo and Lei bamboo

如圖5和表2所示,在12%含水率條件下,毛竹鞭根和雷竹竹根抗拉強(qiáng)度與根系直徑仍存在顯著的負(fù)冪函數(shù)關(guān)系,R2分別為0.665和0.698,擬合效果較好,失水并未影響毛竹鞭根和雷竹竹根抗拉強(qiáng)度與直徑關(guān)系,但相較于飽和含水率條件,毛竹鞭根抗拉強(qiáng)度數(shù)值變化范圍明顯縮小,雷竹竹根抗拉強(qiáng)度數(shù)值變化范圍相差不大。毛竹竹根和雷竹鞭根抗拉強(qiáng)度與根系直徑的關(guān)系不再顯著,負(fù)冪函數(shù)關(guān)系的曲線擬合效果差,毛竹竹根抗拉強(qiáng)度在徑級D=0.5—1.5 mm根系徑級范圍內(nèi)數(shù)值突降,雷竹鞭根在徑級D=0.5—1 mm根系徑級范圍內(nèi)數(shù)值小,說明根系失水對不同徑級毛竹和雷竹根系生物力學(xué)性質(zhì)造成不同程度的影響,改變了抗拉強(qiáng)度與根系直徑的關(guān)系。

圖5 12%含水率條件下,毛竹、雷竹不同類型根系抗拉強(qiáng)度與直徑的關(guān)系Fig.5 Under the condition of 12% moisture content,the relationship between tensile strength and diameter of different types of roots for Moso bamboo and Lei bamboo

表2 飽和、12%含水率條件下,毛竹、雷竹不同類型根系抗拉強(qiáng)度與直徑曲線擬合方程

Table 2 Under the condition of saturated and 12% moisture content, the Curve fitting equation of tensile strength and diameter of different types of roots for Moso bamboo and Lei bamboo

含水率條件Water content condition根系類型(縮寫)Root type(Abbreviation)直徑區(qū)間Diameter interval樣本數(shù)Sample number平均抗拉強(qiáng)度Average tensile strength抗拉強(qiáng)度、直徑擬合曲線方程[R2]/Fitting curve equation[R2, P]飽和含水率毛竹竹根 (MZ)0.42—4.123334.57±12.63Y=37.631X-0.488 [0.735, P<0.01]Saturated moisture content毛竹鞭根 (MB)0.31—3.793338.20±14.60Y=38.711X-0.469 [0.680, P<0.01]雷竹竹根 (LZ)0.48—2.983035.45±13.98Y=38.984X-0.608 [0.659, P<0.01]雷竹鞭根 (LB)0.39—3.153428.72±7.87Y=31.140X-0406 [0.692, P<0.01]12%含水率毛竹竹根 (MZ)0.42—4.614332.59±10.15Y=35.007X-0.141 [0.066, P>0.05]12% moisture content毛竹鞭根 (MB)0.31—3.303535.02±14.21Y=36.234X-0.437 [0.665, P<0.01]雷竹竹根 (LZ)0.24—3.013031.92±2.96Y=32.741X-0.215 [0.698, P<0.01]雷竹鞭根 (LB)0.30—2.803733.48±6.14Y=32.056X-0.154 [0.276, P>0.05]

2.4 地下系統(tǒng)抗剪切強(qiáng)度

圖6 毛竹(□)和雷竹(○)地下系統(tǒng)抗剪切強(qiáng)度與干物質(zhì)量的關(guān)系Fig.6 Relationship between shear strength and dry mass of underground parts for Moso bamboo and Lei bamboo

植物地下系統(tǒng)與土體的復(fù)合體相較于素土體,具有更強(qiáng)的抗剪切強(qiáng)度[19]。從圖6可以看出,外界土壤條件一致的前提下,在地下0—60 cm的土層范圍內(nèi),毛竹和雷竹地下系統(tǒng)抗剪切強(qiáng)度與干物質(zhì)量之間遵循冪函數(shù)關(guān)系(y=αxβ),關(guān)系式分別為y=5.687x0.790(R2=0.757,P<0.01)和y=9.620x0.361(R2=0.632,P<0.01)。毛竹冪函數(shù)指數(shù)較高,系數(shù)較低,說明毛竹地下系統(tǒng)抗剪切強(qiáng)度隨著干物質(zhì)量增加而快速增加,只是初始值較低。雷竹冪指數(shù)函數(shù)較小,說明雷竹地下系統(tǒng)抗剪切強(qiáng)度隨著干物質(zhì)量增加而緩慢增加,而由于系數(shù)較高,在0—1.8 kg變化范圍內(nèi)略高于毛竹。綜合來看,由于毛竹地下系統(tǒng)根系龐大,干物質(zhì)量更大,所以毛竹的抗剪切強(qiáng)度要優(yōu)于雷竹。

3 討論

3.1 毛竹和雷竹根系空間分布特征

為了解毛竹和雷竹根系空間分布特征的異同,對根系空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究,主要包括垂直分布特征和不同徑級根系分布特征兩個方面。結(jié)果表明,在0—60 cm土層,毛竹和雷竹根系含量隨土層深度增加而逐漸減少,這與劉國華等[20]對同為竹亞科的四種地被竹,以及李謙等[17]對綠竹(Bambusaoldhami)根系結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果一致。植物根系的層次分布受到遺傳特性和外界環(huán)境條件等綜合影響[21]。本研究發(fā)現(xiàn)0—40 cm土層幾乎包括了毛竹和雷竹80%的根系,且由于雷竹竹根分布較淺,在40—60 cm土層幾無分布。在0—20 cm和20—40 cm土層內(nèi),相同竹種不同類型根系,以及不同竹種相同類型根系含量分布出現(xiàn)較大的差異。因此,在相同外界環(huán)境條件下,物種的遺傳特性對根系垂直分布特征起到?jīng)Q定性作用[22]。

在植物根系功能研究中,通常將直徑<2 mm的根稱為細(xì)根,細(xì)根是植物吸收水分和養(yǎng)分維持生長的主要器官,直徑>2 mm的根則被稱為粗根,粗根主要起構(gòu)架和支撐作用[23]。本研究對不同徑級根系分布特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)毛竹和雷竹3個徑級根系長度和體積所占比重均隨著土壤深入而逐漸減小,毛竹和雷竹D<1 mm根系長度所占比重均為最大,且大量研究表明,根系的固土作用與徑級D<1 mm細(xì)根的密度有極顯著正相關(guān)關(guān)系[24-26]。毛竹和雷竹D>2 mm的粗根根系長度隨占比重最小,毛竹竹根和鞭根D>2 mm的粗根體積所占比重均為最大,雷竹竹根和鞭根D>2 mm的粗根體積比重則不占明顯優(yōu)勢,這可能毛竹體型比雷竹更為巨大,粗根為根系提供了更強(qiáng)的抗沖性和抗蝕性[27]。

3.2 生長階段對毛竹和雷竹竹鞭生物力學(xué)特性的影響

諸多研究表明,林木性狀在不同生長階段表現(xiàn)出極大地差異,包括物理性能和化學(xué)性質(zhì)等方面[28-29]。本研究根據(jù)不同生長階段竹鞭特性,將其劃分為幼齡、中齡、老齡3個年齡段,測定抗拉強(qiáng)度和彈性模量,以反映竹鞭抵抗塑性變形和彈性變形的能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn),三個年齡段毛竹和雷竹的抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別表現(xiàn)出相同的變化趨勢,說明散生竹特有結(jié)構(gòu)竹鞭在不同竹種間存在共性。毛竹和雷竹竹種內(nèi)不同年齡段抗拉強(qiáng)度和彈性模量均存在顯著差異,說明生長階段是影響竹鞭生物力學(xué)性質(zhì)的重要因素。通過對毛竹和雷竹竹種間抗拉強(qiáng)度和彈性模量方差分析發(fā)現(xiàn),毛竹抵抗塑性變形的能力強(qiáng)于雷竹,但抵抗彈性變形的能力弱于雷竹,說明體型大的毛竹在抵抗強(qiáng)風(fēng)等外力作用的能力更為突出,而體型小的雷竹在外力作用消失時更容易恢復(fù)原狀。除此之外,不同竹種生物力學(xué)性質(zhì)在相同的生長階段差異顯著,這與Boldrin等[3]和Zhao 等[30]的研究結(jié)論相一致。

3.3 毛竹和雷竹根系抗拉強(qiáng)度

根系抗拉強(qiáng)度對土壤抗剪切強(qiáng)度貢獻(xiàn)很大[31]。有研究表明,單根抗拉強(qiáng)度受根系直徑和含水率的顯著影響[4,6]。本研究通過設(shè)置飽和和12%兩個含水率梯度,分析自然狀態(tài)和極端干旱事件發(fā)生時出現(xiàn)的嚴(yán)重失水狀態(tài)下根系抗拉強(qiáng)度與直徑之間相關(guān)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),飽和含水率條件下,毛竹和雷竹兩者根系抗拉強(qiáng)度均隨著直徑的增大而減小,呈現(xiàn)負(fù)冪函數(shù)關(guān)系,這與龍竹(Dendrocalamusgiganteus)、料慈竹(Bambusadistegia)、香竹(Chiomonocalamusdelicatus)、綠竹等幾種叢生竹[17,32],以及華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)[33]、多花木蘭(Magnoliamultiflora)[34]等木本植物的研究結(jié)果相一致。但田佳和劉耀輝[35]在對早熟禾(Poaannua)、無芒雀麥(Bromusinermis)、多年生黑麥草(Loliumperenne)和高羊茅(Festucaelata)4種草本植物的研究發(fā)現(xiàn)單根抗拉強(qiáng)度與根系徑級呈線性正相關(guān)關(guān)系,即隨著根系直徑的增大,抗拉強(qiáng)度也隨之增大。

Yang等[4]研究發(fā)現(xiàn)根系含水量的輕微損失可以提高抗拉強(qiáng)度,但水分損失過大會降低根系抗拉強(qiáng)度。本研究中,12%含水率條件下,根系失水對毛竹和雷竹不同類型根系影響不同,毛竹鞭根和雷竹竹根抗拉強(qiáng)度與根系直徑仍保持負(fù)冪函數(shù)關(guān)系,在相同根系徑級變化范圍內(nèi),相較飽和含水率條件,失水并未導(dǎo)致毛竹鞭根抗拉強(qiáng)度數(shù)值范圍的明顯變化,但失水顯著縮小了雷竹竹根抗拉強(qiáng)度數(shù)值范圍。失水導(dǎo)致毛竹竹根和雷竹鞭根抗拉強(qiáng)度與直徑之間負(fù)冪函數(shù)關(guān)系不再顯著,具體表現(xiàn)在毛竹竹根1.0—2.0 mm徑級根系抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)大幅減少,而雷竹徑級D>2.5 mm鞭根的抗拉強(qiáng)度則明顯減小,說明根系嚴(yán)重失水會對不同竹種、不同根系類型以及不同根系徑級等造成顯著影響。

3.4 干物質(zhì)量與地下系統(tǒng)抗剪切強(qiáng)度關(guān)系

土壤抗壓強(qiáng)度大而抗剪切強(qiáng)度小,植被種植可以顯著增大土壤抗剪切強(qiáng)度,增強(qiáng)山體邊坡穩(wěn)定性,植被根系對土壤的機(jī)械加固發(fā)揮著重要作用[36]。通過設(shè)置立地條件相同的裸地和竹林林地,對地下系統(tǒng)抗剪切強(qiáng)度與根系含量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)毛竹和雷竹地下系統(tǒng)抗剪切強(qiáng)度均隨著干物質(zhì)量的增加而增加,說明根-土復(fù)合體顯著增強(qiáng)了土壤的抗剪切強(qiáng)度,且遵循冪函數(shù)關(guān)系,這與李謙等[17]對綠竹,田佳和劉耀輝[33]對華北邊坡綠化植物研究發(fā)現(xiàn)的一次函數(shù)關(guān)系,以及李紹才等[37]發(fā)現(xiàn)的根土復(fù)合體抗剪切強(qiáng)度與根系含量呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系略有不同。在干物質(zhì)量0—1.8 kg范圍內(nèi),由于雷竹系數(shù)(9.622)高于毛竹(5.687),雷竹抗剪切強(qiáng)度在相同干物質(zhì)量強(qiáng)于毛竹,但毛竹冪指數(shù)(0.790)遠(yuǎn)大于雷竹(0.361),說明毛竹抗剪切強(qiáng)度的增加趨勢更為明顯。因此,在相同的外界自然環(huán)境條件下,相較于體型小的雷竹,毛竹龐大的地下系統(tǒng)將為土壤提供更為強(qiáng)大的抗剪切強(qiáng)度。

4 結(jié)論

毛竹和雷竹根系含量和不同徑級根系長度和體積所占比例隨土層深入呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,0—40 cm土層中集中了80%以上的根系。細(xì)根長度比例遠(yuǎn)高于粗根,而粗根體積比例多數(shù)高于細(xì)根,前者為土壤提供優(yōu)良的力學(xué)性能,而后者為植物了支撐和框架。生長階段對毛竹和雷竹竹鞭生物力學(xué)性質(zhì)影響顯著,毛竹抵抗塑性變化能力強(qiáng)于雷竹,而雷竹抵抗彈性變化能力優(yōu)于毛竹。飽和含水率條件下,毛竹和雷竹抗拉強(qiáng)度和根系直徑之間呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系,12%含水率條件下,因竹種和根系類型差異,根系失水對根系抗拉強(qiáng)度與直徑的關(guān)系造成不同影響。毛竹和雷竹地下系統(tǒng)抗剪切強(qiáng)度均隨著干物質(zhì)量的增大而增大,毛竹的增大趨勢遠(yuǎn)高于雷竹。本文對亞熱帶地區(qū)廣泛分布的毛竹和雷竹的地下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及生物力學(xué)性質(zhì)的進(jìn)行了研究,以期為山區(qū)土壤侵蝕和山體滑坡等的生物防治工程的實施提供科學(xué)數(shù)據(jù)支持。